科学家重现“粒子急停”这一奇特量子现象

最近，牛津大学团队在一项量子模拟实验里重现了被称为阿哈罗诺夫-玻姆效应的现象：一个带电粒子在绕着含有磁通量的区域运动时，即使它经过的路径上没有磁场，它的量子状态也会发生可测量的变化。他们把量子比特和量子振荡器结合在一起；量子比特是承载量子信息的基本单元，量子振荡器则用来表示振动模式。相关结果发表在英国《自然·物理学》上，说明这种混合量子系统可以帮助科学家研究物质与场之间的基本相互作用，而这些相互作用越来越难用普通计算机模拟。

一、一个1959年预言的奇特量子效应
日常物理中，带电粒子会直接受到它遇到的电场和磁场影响。但在量子力学中，粒子会表现出许多日常经验里没有明显对应物。1959年，物理学家雅基尔·阿哈罗诺夫和大卫·玻姆预言：即使带电粒子完全运行在磁场区域之外，它也会受到磁通量的影响。粒子并不会沿着路径经历传统意义上的磁力，而是会改变自己的量子相位。量子相位可以理解为粒子波动性的一个方面，它会决定不同可能路径之间如何相互加强或抵消。相位本身看不见，但相位差会产生可测量结果。这个预言后来被称为阿哈罗诺夫-玻姆效应，并已在真实电子实验中得到验证。它清楚地说明，量子世界的规则会超出经典物理中我们熟悉的定律。

二、更复杂的理论：格点规范理论
研究人员现在希望了解这种现象在更复杂的理论系统中如何出现，例如格点规范理论。格点规范理论用来描述物质如何与基本力相关的场发生相互作用。它把空间画成一张网格，物质位于节点上，场则存在于节点之间的连接上。这类模型在粒子物理和高能物理中非常重要，因为科学家需要理解构成宇宙的基本粒子和相互作用。难点在于，系统一旦变大，数学计算就变得极其复杂，即使强大的普通计算机也很难追踪所有相互作用部件如何随时间演化。量子计算机提供另一条路：科学家不必用经典方法计算量子系统的每一个细节，而是可以搭建另一个量子系统，让它遵循同样的底层规则，然后直接观察它的行为。这种方法叫做量子模拟。

三、如何搭建这个量子实验
牛津团队的项目始于2022年，第一作者塞巴斯蒂安·萨纳博士、奥安娜·巴扎万博士和同事开始开发一种用混合量子系统模拟格点规范理论的方法，并与马德里理论物理研究所的亚历杭德罗·贝穆德斯博士合作。实验设计使用两种不同量子部件：第一种是用囚禁离子内部状态编码的量子比特。囚禁离子是被电磁场固定住的带电原子，这里的量子比特代表理论模型中的规范场；第二种是用同批囚禁离子的振动产生的量子振荡器，用来代表物质。把两者结合，研究人员构建了一个小环路，可作为格点规范理论的基本单元：两个振荡器代表两个位置的物质，两个量子比特代表连接位置的场。虽然系统很小，但足以重现物质与磁通量之间的一种重要相互作用。

四、用量子纠缠解决意外难题
接下来，研究人员把两个量子比特制备成纠缠状态。纠缠是量子系统之间无法用经典物理解释的强关联。在他们模拟的格点规范理论中，这种纠缠状态代表穿过环路中心的磁通量。团队原本打算把磁通量作为固定背景条件引入，但这样需要量子硬件不具备的相互作用能力。把磁通量直接编码进量子比特成了可行替代方案。更重要的是，它让磁通量成为整个不断演化的量子系统的一部分，而不是外部的固定影响。萨纳博士说：“对我们而言，令人兴奋的一步是把磁通量编码进本身会动态演化的规范场。这样，物质和规范场不再是固定背景与演化对象的关系，而是共同参与同一套量子动力学。”起初这个方案是为了绕开技术限制，但它反而让实验探索到更丰富的现象。

五、量子效应让粒子运动停止
有了模拟环路后，科学家观察物质粒子如何通过量子隧穿在不同位置之间运动。量子隧穿允许粒子以经典规则不允许的方式在状态之间穿行。没有磁通量时，粒子可以在环路中自由隧穿。加入模拟磁通量后，结果明显不同：粒子有两条可绕环路的路径，但磁通量改变了它们之间的相对量子相位，导致两条路径发生相消干涉，量子贡献相互抵消。隧穿因此被完全抑制，模拟粒子看起来停在原来的状态。这一结果在包含动态场的格点规范理论中展示了阿哈罗诺夫-玻姆效应：实验不只是重现粒子绕固定磁场运动的传统情况，而是表明当物质和场都由相互作用的量子部件表示时，这种现象仍会出现。

六、探索基础物理的新工具
牛津大学结果与马里兰大学研究团队的论文同时发表在《自然·物理学》上。后者由诺伯特·林克教授带领，也使用混合量子系统，但重点模拟汤川势，一种与核物理和粒子物理相关的相互作用数学描述。两个团队各自独立发展方法，后来协调投稿。两项实验共同说明，混合量子计算机可以成为研究难用经典模拟复现的基本相互作用的重要工具。通过组合不同量子部件，科学家能更自然地表示物质和场，更接近真实物理。牛津实验则显示，1959年预言、后来在电子中观测到的量子效应，如今可在量子模拟器中被重现，而且场本身也参与动力学过程，为探索量子世界不寻常规律提供了新路径。